CN105675997A

CN105675997A - 车用电池组动态绝缘电阻检测装置

Info

Publication number: CN105675997A
Application number: CN201610136756.8A
Authority: CN
Inventors: 倪红军; 陈祥; 周兴叶; 朱建新; 吕帅帅
Original assignee: Nantong University
Current assignee: HONGBANG DIE CASTING (NANTONG) Co.,Ltd.
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: CN105675997B

Abstract

本发明公开了一种车用电池组动态绝缘电阻检测装置，包括与电池组负极电连接的基准电路、用于测量基准电路中的电压的第一测压电路及第二测压电路、做为开关元件的三极管以及控制单元，其中，基准电路包括依次串联的充电端、基准电阻、限流电阻以及高压电容，高压电容另一端与电池组的负极电连接；三极管接收控制单元的电平信号，截止或导通，以控制基准电路中高压电容的充电或放电；第一测压电路电连接在基准电阻的前端，用于测量基准电阻的前端电压，并将前端电压反馈给控制单元；第二测压电路电连接在基准电阻的后端，用于测量基准电阻的后端电压，并将后端电压反馈给控制单元。

Description

车用电池组动态绝缘电阻检测装置

技术领域

本发明涉及一种车用电池组动态绝缘电阻检测装置。

背景技术

新能源汽车的动力主要由电池组提供，基于电池组一般电压比较高，并且电池组充放电时的电流比较大。因此，在电池组充放电过程中，如果电池组的正极或负极与车身发生短路，极容易对人身安全造成隐患。因此，对电池组安全性的研究具有重要意义，当电池组的正极或负极与车身存在短路隐患时，能够及时通过绝缘电阻检测来发现，并作出相应的处理，对减少安全事故的发生具有重要意义。目前，电动汽车电池组绝缘电阻检测电路的设计一般比较复杂，并且反应速度比较慢，动态响应差，并且容易造成电池管理***(BMS)的损坏。

发明内容

本发明提供了一种车用电池组动态绝缘电阻检测装置，以解决上述问题中的一个。

车用电池组动态绝缘电阻检测装置，包括与电池组负极电连接的基准电路、用于测量基准电路中的电压的第一测压电路及第二测压电路、做为开关元件的三极管以及控制单元，其中，基准电路包括依次串联的充电端、基准电阻、限流电阻以及高压电容，高压电容另一端与电池组的负极电连接；三极管接收控制单元的电平信号，截止或导通，以控制基准电路中高压电容的充电或放电；第一测压电路电连接在基准电阻的前端，用于测量基准电阻的前端电压，并将前端电压反馈给控制单元；第二测压电路电连接在基准电阻的后端，用于测量基准电阻的后端电压，并将后端电压反馈给控制单元。

本发明中，基准电阻与限流电阻的阻值均为已知。在控制单元输出低电平时，三极管截止，充电端的电流依次通过基准电阻与限流电阻给高压电容充电。此时，可以通过第一测压电路测出基准电阻的前端电压V1，通过第二测压电路测出基准电阻的后端电压V2。在该充电的过程中，都可以通过欧姆定律即时的得出：(V1-V2)/R1＝(V2-Vc)/(R2-Rx)；在控制单元输出高电平时，三极管导通，高压电容将会反向放电，此时，同时测出基准电阻前端电压V1'及后端电压V2'，再由欧姆定律得出：(V1'-V2')/R1＝(V2'-Vc')/(R2+Rx)，将上述两式相减可以得出：Rx＝ΔV2*R1/(ΔV1-ΔV2)-R2。

在一些实施方式中，基准电路还包括二极管D1及二极管D2，二极管D1与二极管D2同向串联连接，二极管D1的阴极与充电端电连接，二极管D2的阳极接地，二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极并接在基准电阻的后端。

由此，当绝缘电阻串接在电池组的正极上时，电池组正极电流依次流经绝缘电阻、二极管D2、限流电阻以及高压电容再流回电池组负极，从而形成闭合回路，当高压电容充满电后，回路中的电流为零，此时可以忽略二极管D2的压降，则高压电容的电压等于电池组的总电压，因此，高压电容在正常情况下可以起到将电池组与车身隔离的作用，并且可以平衡当量绝缘电阻非接地端与电池组总负端之间的电压，使高压电容的正端与当量绝缘电阻非接地端之间的电压近似为零，使电池组自身的电压不能产生附加的电流，使得计算出来的绝缘电阻的数值更加准确。此外，当绝缘电阻快速恢复正常时，高压电容上的电荷可迅速地通过二极管D1向充电端的电路中释放。

在一些实施方式中，三极管的基极通过电阻R3与所述控制单元电连接，三极管的集电极通过拉高电阻并接在基准电阻的前端，三极管的发射极接地。由此，控制单元可以向三级管发出高电平或低电平来使得三极管导通或截止，当三极管导通时，高压电容的电荷可以通过三极管向低压电路中释放，当三极管截止时，充电端通过拉高电阻、基准电阻及限流电阻给高压电容充电。此时，拉高电阻可以防止三极管被充电端的导通电流击穿。

在一些实施方式中，第一测压电路包括电阻R5、放大器E1及电阻R6，电阻R5的一端电连接在充电端与基准电阻之间，另一端与放大器E1的正输入端电连接，放大器E1的负输入端与放大器E1的输出端短接，电阻R6的一端与放大器E1的输出端电连接，另一端与控制单元电连接。第二测压电路包括电阻R7、放大器E2及电阻R8，电阻R7的一端电连接在基准电阻与限流电阻之间，另一端与放大器E2的正输入端电连接，放大器E2的负输入端与放大器E2的输出端短接，电阻R8的一端与放大器E2的输出端电连接，另一端与控制单元A电连接。

由此，基准电阻的前端电压可以通过第一测压电路的放大器E1进行信号跟随后反馈给控制单元，基准电阻的后端电压可以通过第二测压电路的放大器E2进行信号跟随后反馈给控制单元。

附图说明

图1为本发明一实施例方式电池组在正常情况下时动态绝缘电阻检测装置的连接电路原理图；

图2为本发明一实施方式中绝缘电阻发生在电池组负极上时的动态绝缘电阻检测装置电路原理图；

图3为绝缘电阻发生在电池组中间某个位置时的动态绝缘的电阻检测装置的电路原理图；

图4为绝缘电阻发生在电池组正极上时的动态绝缘电阻检测装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1至图4示意性地显示了本发明的一实施方式的电池组动态绝缘电阻检测装置的电路原理。

如图1所示，电池组在正常情况下时动态绝缘电阻检测装置的电路连接原理图。充电端Vcc、基准电阻R1、限流电阻R2、高压电容C以及电池组Vpack的负极依次串联，形成基准电路1。此时，电池组Vpack与高压电容C之间不构成回路，高压电容C上的电压以及电池组Vpack总负端之间的电压均为零，因此，高压电容C在正常情况下(即电池组Vpack的正极或负极没有被短路的情况下)可以起到将电池组Vpack与车身隔离的作用，防止电池组Vpack的电压直接加载到车身上，给人身带来危害。

结合图1及图4所示，为了更好地控制高压电容C的充放电过程，可以在基准电路1的基准电阻R1的前端电连接作为开关元件的三极管Q，三极管Q的基极通过电阻R3与控制单元A电连接，三极管Q的发射极接地，三极管Q的集电极并接在基准电阻R1的前端，此时由于充电端Vcc的电压首先会分压至三极管Q上，为了防止三极管Q不会被充电端Vcc的高压击穿，在充电端Vcc与三极管Q的集电极之间串接拉高电阻R4，拉高电阻R4可以在充电端Vcc充电过程中，将充电端Vcc的电压分压，从而可以很好的保护三极管Q。

当控制单元A发出低电平电压信号给三极管Q时，三极管Q截止，充电端Vcc电流依次流经拉高电阻R4、基准电阻R1以及限流电阻R2给高压电容C充电；当控制单元A发出高电平电压信号给三极管Q时，三极管Q导通，高压电容C的电流流经限流电阻R2以及基准电阻R1至三极管Q，通过三极管Q的发射极对地放电。

结合图1及图4所示，第一测压电路2包括电阻R5、放大器E1以及电阻R6，其中，电阻R5的一端连接在基准电阻R1的前端，电阻R5的另一端连接放大器E1的正输入端，放大器E1的负输入端与放大器E1的输出端通过导线连接短路，形成电压跟随器，放大器E1的输出端通过电阻R6与控制单元A电连接，基准电阻R1的前端电压信号V1通过放大器E1进行电压跟随后，反馈给控制单元A；第二测压电路3包括电阻R7、放大器E2以及电阻R8，其中电阻R7的一端连接在基准电阻R1的后端，电阻R7的另一端连接放大器E2的正输入端，放大器E2的负输入端与放大器E2的输出端通过导线连接短路，形成电压跟随器，放大器E2的输出端通过电阻R7与控制单元A电连接，基准电阻R1的后端电压信号V2通过放大器E2进行电压跟随后，反馈给控制单元A。

本实施例中，控制单元A为单片机，通过单片机的引脚3输出高电频或低电频电压信号给三极管Q来控制三极管Q的导通或截止；单片机的引脚1接收来自第一测压电路2反馈的电压信号，实现基准电阻R1前端电压V1的采集；单片机的引脚2接收来自第二测压电路3的反馈电压信号，实现基准电阻R1后端电压V2的采集。

如图2所示，当电池组Vpack的负极发生短路时(电池组Vpack的负极与车身之间的绝缘电阻Rx不为无穷大时)，绝缘电阻Rx的一端与高压电容C电连接，另一端接地。此时，高压电池组Vpack与高压电容C之间不构成回路，高压电容C上的电压、绝缘电阻Rx非接地端以及电池组Vpack总负端之间的电压均为零，也就是高压电容C与当量绝缘电阻Rx非接地端之间的电压为零，以起到将电池组Vpack与车身隔离的作用，防止电池组Vpack的电压直接加载到车身上，给人身带来危害。

如图2所示，控制单元A给三极管Q输出低电平，此时三极管Q截止，充电端Vcc的电流流经基准电阻R1、限流电阻R2以及绝缘电阻Rx给高压电容C充电，此时，由于基准电阻R1以及限流电阻R2的阻值为已知，可以通过电连接在基准电阻R1前端的第一测压电路2测出基准电阻R1的前端电压V1，并将前端电压V1的电压信号反馈给控制单元A，并通过电性连接在基准电阻R1后端的第二测压电路3测出基准电阻R1的后端电压V2，并将V2电压信号反馈给控制单元A；因此，根据欧姆定律可以得出如下计算公式(1)：(V1-V2)/R1＝(V2-Vc)/(R2+Rx)，由于公式(1)中Vc与Rx均为未知参数，因此，需要进一步通过高压电容C的放电过程来得出计算结果。

如图2所示，控制单元A给三极管Q输出高电平，三极管Q导通时，高压电容C反向放电，高压电容C的电荷可以通过限流电阻R2以及基准电阻R1并经过三极管Q向低压电路释放电荷，此时，再经过第一测压电路2及第二测压电路3分别测出R1的前端电压V1'以及后端电压V2'，根据欧姆定律可以得出如下计算公式(2)：(V1'-V2')/R1＝(V2'-Vc')/(R2+Rx)，由于高压电容C可以具有比较大的电容值，并且基准电阻R1的阻值比较大(一般高达200KΩ以上)，因此，高压电容C的充放电时间常数比较大，一般可以高达100毫秒至5秒，因此，可以认为三极管Q从截止到导通的短暂过程中，高压电容C两端的电压基本保持不变，即，公式(1)中的Vc等于公式(2)中Vc'，即Vc＝Vc'，由此，将公式(1)减去公式(2)即可以得到公式(3)：Rx＝ΔV2*R1/(ΔV1-ΔV2)-R2。因此，根据公式(3)即可计算出绝缘电阻Rx的阻值。

如图3所示，为电池组Vpack中某处发生短路时的动态绝缘的电阻检测装置的电路原理图。在基准电路1中接入了二极管D1以及二极管D2，二极管D1与二极管D2同向地串接(即二极管D1与二极管D2阴极的朝向相同)，二极管D1的阴极与充电端Vcc电连接，二极管D2的阳极接地，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极并联接在基准电阻R1的后端。此时，绝缘电阻Rx、二极管D2、限流电阻R2、高压电容C以及电池组Vpack的被短路部分形成一个闭合回路。

如图3所示，由于电池组Vpack的电压一般都比较高，即使是电池组Vpack只是被部分短路时，被短路部分的电压也远高于充电端Vcc的电压，因此，在充电端Vcc给高压电容C充电以测量基准电阻R1的前端电压V1之前，电池组Vpack被短路的部分将会通过该闭合回路(绝缘电阻Rx、二极管D2、限流电阻R2、高压电容C以及电池组Vpack的被短路部分形成的闭合回路)自动地向高压电容C进行充电，使得高压电容C两端的电压Vc与绝缘电阻Rx的非接地端以及电池组Vpack负极的电压(小于电池组Vpack的总电压)在几个时间常数内基本保持相等；当高压电容C充满电后，回路中的电流逐渐变为零，因此，高压电容C可以平衡当量绝缘电阻Rx与电池组Vpack总负端之间的电压，使高压电容C的正端与当量绝缘电阻Rx非接地端之间的电压为零，使电池组Vpack自身的电压不能产生附加的电流，使得计算出来的绝缘电阻Rx的数值更加准确。

如果行车过程中，电池组Vpack与车身的绝缘电阻Rx仅仅只是被短暂的破坏，即绝缘电阻Rx出现短暂性的异常(即绝缘电阻Rx出现短暂性地消失，然后绝缘电阻Rx恢复正常)，此时，由于高压电容C两端的电压高于充电端Vcc的电压(充电端Vcc的电压一般为5V)，因此，在充电端Vcc给高压电容C充电以测量基准电阻R1的前端电压V1之前，高压电容C上的电荷即使在三极管Q截止的情况下也可以迅速地通过二极管D1向充电端Vcc的电路中释放，以利于绝缘电阻Rx的正常测量。电池组Vpack被短路时的检测绝缘电阻Rx的方式与绝缘电阻Rx发生在电池组Vpack负极短路的情况的检测方式相同，不再赘述。

如图4所示，为电池组Vpack正极短路时的动态绝缘的电阻检测装置的电路原理图。同样在基准电路1中接入了二极管D1以及二极管D2，二极管D1与二极管D2同向地串接(即二极管D1与二极管D2阴极的朝向相同)，二极管D1的阴极与充电端Vcc电连接，二极管D2的阳极接地，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极并联接在基准电阻R1的后端。此时，绝缘电阻Rx、二极管D2、限流电阻R2、高压电容C以及电池组Vpack形成一个闭合回路。

如图4所示，由于电池组Vpack的电压一般都比较高，一般会远高于充电端Vcc的电压，因此，在充电端Vcc给高压电容C充电以测量基准电阻R1的前端电压V1之前，电池组Vpack的正极电流依次流经绝缘电阻Rx、二极管D2、限流电阻R2至高压电容C，再从高压电容C流回电池组Vpack的负极，以此形成闭合回路给高压电容C充电，使得高压电容C两端的电压Vc与绝缘电阻Rx的非接地端以及电池组Vpack负极的电压在几个时间常数内基本保持相等；当高压电容C充满电后，回路中的电流逐渐变为零，此时，电池组Vpack的总电压等于高压电容C的电压，因此，高压电容C可以起到平衡当量绝缘电阻Rx与电池组Vpack总负端之间的电压，使高压电容C的正端与当量绝缘电阻Rx非接地端之间的电压为零，使电池组Vpack自身的电压不能产生附加的电流，使得计算出来的绝缘电阻Rx的数值更加准确。

如果行车过程中，电池组Vpack与车身的绝缘电阻Rx仅仅只是被短暂的破坏，即绝缘电阻Rx出现短暂性的异常(即绝缘电阻Rx出现短暂性地消失，然后绝缘电阻Rx恢复正常)，此时，由于高压电容C两端的电压高于充电端Vcc的电压(充电端Vcc的电压一般为5V)，因此，在充电端Vcc给高压电容C充电以测量基准电阻R1的前端电压V1之前，高压电容C上的电荷可以在三极管Q截止的情况下迅速地通过二极管D1向充电端Vcc的电路中释放，以利于绝缘电阻Rx的正常测量。电池组Vpack正极被短路时的检测绝缘电阻Rx的方式与绝缘电阻Rx发生在电池组Vpack负极短路的情况的检测方式相同，不再赘述。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.车用电池组动态绝缘电阻检测装置，其特征在于，包括与电池组Vpack负极电连接的基准电路(1)、用于测量基准电路(1)中的电压的第一测压电路(2)及第二测压电路(3)、做为开关元件的三极管Q以及控制单元A，其中，

所述基准电路(1)包括依次串联的充电端Vcc、基准电阻R1、限流电阻R2和高压电容C，所述高压电容C另一端与电池组Vpack的负极电连接；

所述三极管Q接收控制单元A的电平信号，截止或导通，以控制基准电路(1)中高压电容C的充电或放电；

所述第一测压电路(2)电连接在基准电阻R1的前端，用于测量基准电阻R1的前端电压V1，并将所述前端电压V1反馈给控制单元A；

所述第二测压电路(3)电连接在基准电阻R1的后端，用于测量基准电阻R1的后端电压V2，并将所述后端电压V2反馈给控制单元A。

2.根据权利要求1所述的车用电池组动态绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述基准电路(1)还包括二极管D1及二极管D2，所述二极管D1与二极管D2同向串联连接，所述二极管D1的阴极与充电端Vcc电连接，所述二极管D2的阳极接地，所述二极管D1的阳极以及所述二极管D2的阴极并接在基准电阻R1的后端。

3.根据权利要求2所述的车用电池组动态绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述三极管Q的基极通过电阻R3与所述控制单元A电连接，所述三极管Q的集电极通过拉高电阻R4并接在基准电阻R1的前端，所述三极管Q的发射极接地。

4.根据权利要求3所述的车用电池组动态绝缘电阻检测装置，其特征在于，所述第一测压电路(2)包括电阻R5、放大器E1及电阻R6，所述电阻R5的一端电连接在拉高电阻R4与基准电阻R1之间，另一端与放大器E1的正输入端电连接，所述放大器E1的负输入端与放大器E1的输出端短接，所述电阻R6的一端与放大器E1的输出端电连接，另一端与控制单元A电连接，所述第二测压电路(3)包括电阻R7、放大器E2及电阻R8，所述电阻R7的一端电连接在基准电阻R1与限流电阻R2之间，另一端与放大器E2的正输入端电连接，所述放大器E2的负输入端与放大器E2的输出端短接，所述电阻R8的一端与放大器E2的输出端电连接，另一端与控制单元A电连接。